[論文レビュー] Multi-level resistance switching and random telegraph noise analysis of nitride based memristors

Nikolaos Vasileiadis, Panagiotis Loukas+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2021

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 62被引用数 24

ひとこと要約

本研究では、空間電荷制限電流（SCLC）条件下における柔軟なパルスプロトコルを用いて、Cu/SiNx/Si構造を用いた窒化シリコンベースのメモリスチブで多次元抵抗スイッチングを実証した。その結果、安定した多次元動作、時間経過に伴う保持特性、およびランダムテレグラフノイズ（RTN）の詳細な分析により、0.62–0.71 eVの2つの異なるトラップ準位が特定され、トラップ媒介スイッチングメカニズムが裏付けられた。

ABSTRACT

Resistance switching devices are of special importance because of their application in resistive memories (RRAM) which are promising candidates for replacing current nonvolatile memories and realize storage class memories. These devices exhibit usually memristive properties with many discrete resistance levels and implement artificial synapses. The last years, researchers have demonstrated memristive chips as accelerators in computing, following new in-memory and neuromorphic computational approaches. Many different metal oxides have been used as resistance switching materials in MIM or MIS structures. Understanding of the mechanism and the dynamics of resistance switching is very critical for the modeling and use of memristors in different applications. Here, we demonstrate the bipolar resistance switching of silicon nitride thin films using heavily doped Si and Cu as bottom and top-electrodes, respectively. Analysis of the current-voltage characteristics reveal that under space-charge limited conditions and appropriate current compliance setting, multi-level resistance operation can be achieved. Furthermore, a flexible tuning protocol for multi-level resistance switching was developed applying appropriate SET/RESET pulse sequences. Retention and random telegraph noise measurements performed at different resistance levels. The present results reveal the attractive properties of the examined devices.

研究の動機と目的

• ニューロモーフィック計算およびメモリ内計算への応用を目的とした、窒化シリコンベースのメモリスチブにおける多次元抵抗スイッチングの調査。
• 抵抗レベルの精密でアナログなチューニングを可能にする柔軟なパルスプロトコルの開発。
• 複数の抵抗状態における保持特性およびランダムテレグラフノイズ（RTN）特性の分析。
• RTNスペクトル解析と停留時間分布を用いたトラップエネルギー準位およびダイナミクスの同定。
• 対称的および非対称なボトムエレクトロード構造（SiO2インターレイヤー有無を含む）におけるデバイス動作の比較。

提案手法

• n++-Si基板上にLPCVD法によるSi3N4とスパッタリング法によるCu/Pt電極を用いて、Cu/SiNx/SiおよびCu/SiNx/SiO2/Siメモリスチブを製造した。
• DAQカード、I/Vコンバータ、NMOS/PMOS電流制限回路を備えたカスタム実験装置を用い、電圧および電流の精密制御を実現した。
• 小さな電圧ステップを用いたフィラメント変化に敏感なアルゴリズムを実装し、抵抗を目的のレベルに動的にチューニングした。
• 空間電荷制限電流（SCLC）条件下での電導メカニズムを特定するため、DC I-V測定を実施した。
• 200 kΩ状態で100秒間、25 μsのサンプリング間隔でRTN測定を実施し、デジタルオシロスコープとI/Vコンバータを用いた。
• RTNデータは対数-対数プロット上のパワースペクトル密度（PSD）を用いて解析し、一般化されたパワーロー則モデルにフィッティングすることでトラップパラメータを抽出した。
• 重み付き時間遅れプロット（wTLP）とポissonフィッティングを用いて、離散的電流レベルの特定とトラップ停留時間の推定を実施した。
• アレニウス則を用いて、温度依存の停留時間からトラップ活性化エネルギーを抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SCLC条件下における柔軟なパルスプロトコルを用いて、SiNxベースのメモリスチブで多次元抵抗スイッチングを達成できるか？
• RQ2 SiNxメモリスチブにおける保持特性およびランダムテレグラフノイズ（RTN）特性は、異なる抵抗状態でどのように変化するか？
• RQ3 SiNxメモリスチブチャネルにおける支配的トラップエネルギー準位およびそのダイナミクスは何か？
• RQ4 熱成長によるSiO2インターレイヤーの存在が、RTN挙動およびトラップ特性に与える影響は何か？
• RQ5 RTNスペクトル特性（PSD勾配、停留時間）から、単一または複数のトラップ準位が示唆される程度はどの程度か？

主な発見

• 精密な電流制限制御を備えた柔軟なパルスプロトコルを用いて、SiNxメモリスチブで多次元抵抗スイッチングを成功裏に達成した。
• デバイスは空間電荷制限電流（SCLC）電導を示し、複数の抵抗レベルにわたり安定したアナログ抵抗チューニングが可能であった。
• RTN測定により、200 kΩ状態で2つの明確な電流レベルが特定され、S1ではそれぞれ382 nAおよび407 nA、S2では393 nAおよび410 nAの平均電流が得られた。
• 低周波数のPSD勾配は1に近く（S1で0.858、S2で0.805）、ファイクターノイズ行動を示した。一方、高周波数の勾配はそれぞれ1.741および1.291であった。
• 2つのRTNレベルの停留時間定数は、S1で0.0028 sおよび0.077 s、S2で0.0078 sおよび0.0042 sであり、異なるトラップ寿命を示した。
• S1のトラップ活性化エネルギーは0.622 eVおよび0.708 eV、S2では0.648 eVおよび0.632 eVと推定され、異なるエネルギー深さを持つ複数のトラップ準位の存在が確認された。